國六輕型商用車節油技術研究

摘要：以國六輕型商用車為研究對象，基于用戶需求、法規建立了動力性、經濟性目標，借助AVL Cruise軟件進行動力性及經濟性多方案仿真計算，在動力性及經濟性目標約束下優化傳動系匹配。在此基礎上，對車輛燃油經濟性影響因素和節油技術進行了分析，并結合車型實際情況以及輕型商用車特點開展了國六輕型商用車節油技術路徑和具體方案的研究以及實施，進行了相關的試驗驗證，在整車成本有效控制的前提下取得了較好的節油效果。

關鍵詞：國六；輕型商用車；動力系統；匹配優化；節油技術

中圖分類號：U469 收稿日期：2023-10-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202311007

1 前言

隨著油耗標準不斷加嚴，加大節油技術的研究成為了企業關注的焦點。本文以某款國六輕型商用車為對象，研究降低汽車燃油消耗量的方法，通過動力鏈匹配優化以及節油技術路徑和具體方案的研究和實施，高效經濟地達成了節油目標。

2 動力鏈匹配

2.1 整車基本參數

該款輕型商用車安裝有3 L柴油機、6擋手動變速箱，整車基本參數如表1所示。

2.2 性能目標設定

為達成國六排放以及提升產品競爭力，主流輕型商用車國六柴油發動機額定功率平均提升8%，額定扭矩平均提升19%。根據基礎車及競品車型實測數據［1］，并結合對國六競品的預判，確定動力性、經濟性目標即動力性在現有國五基礎車上提升10%，保持與競品國六產品相當，其油耗在國五基礎車上降低9%左右，滿足三階段法規限值要求，性能目標如表2所示。

2.3 傳動系選型

根據最高車速目標確定最小傳動比≤3.96，根據最大爬坡度確定最大總傳動比≥25.18，按傳動比邊界篩選，4個方案滿足要求，如表3所示。

2.4 仿真計算

借助AVL Cruise軟件進行動力性及經濟性多方案仿真計算，4個方案中的方案2在滿足動力需求的提前下能使發動機工作在最優經濟區，油耗達到最優（見圖1），仿真計算結果如表4所示。

2.5 小結

通過動力鏈匹配優化確定了傳動系統最優方案，但油耗超出目標值6.5%，需根據油耗影響因素進一步降低油耗來達成目標。

3 節油技術研究

3.1 節油路徑

影響油耗的主要因素包括發動機萬有特性、怠速及制動能量消耗、附件功耗、風阻系數、迎風面積、輪胎滾阻、傳動系速比、整車重量、傳遞效率9個方面［2-3］。根據燃油經濟性影響因素，商用車節能技術可總結為五大技術類別，分別為高效發動機技術（包括發動機本體經濟性提升及降低附件功耗）、傳動系效率提升及動力鏈匹配技術、降低整車阻力技術（包括滾阻和風阻）、整車輕量化技術、混合動力技術。綜合考慮各項節油技術的節油效果、成本變化、技術成熟度，以及行業先進水平，結合車型實際情況確定節油技術路徑和具體指標，發動機端降油耗3.5%，整車端降油耗4.5%，合計8%，目標分解如圖2所示。

3.2 高效發動機技術

3.2.1 燃燒優化

a.提高軌壓：燃油噴射壓力越高，燃油在氣缸內的霧化效果越好，燃燒越完全，碳煙排放相對較好，提高軌壓，可以實現更低的油耗［4］。軌壓與油耗、碳排放的關系如圖3所示，本項目發動機共軌壓力由160 MPa提升到180 MPa。

b.提高爆壓：發動機最大爆壓從14 MPa提升到15 MPa，提高了缸內平均有效壓力，從而使燃燒效率提升，相同質量的燃油能提供更大的輸出扭矩，節油效果map對比如圖4所示。

c.噴油器流量優化：為了獲得更好的噴射霧化效果，需要縮小噴孔直徑，在要求循環噴油量不變的情況下，通過增加噴孔數來達到要求［5］。通過相關分析以及噴油器選型試驗、油嘴球頭溫度試驗、油嘴積碳試驗等，最終選取了一種9孔480 mL孔徑細至0.123 mm的噴油器作為發動機的噴油器，提高了燃油噴霧的質量，從而有效地改善燃燒情況。不同噴油器油耗對比如圖5所示。

d.噴油提前角優化：增大噴油提前角，燃油更早進入缸內進行混合，油氣混合更充分，燃燒效率提升，發動機動力性和經濟性都有顯著提高。不同噴油提前角對節油效果對比如圖6所示。

3.2.2 進氣優化

a.增壓器優化：通過用戶典型工況路譜采集，分析得出整車常用工況多在中低轉速中小負荷，因此著重降低這些工況的油耗對于降低整車油耗貢獻度更大。選擇低速效率更高、加速響應更快的小渦輪增壓器方案，中低轉速工況的動力性和經濟性都有顯著提升。外特性對比試驗結果表明，在中低轉速工況，小渦輪增壓器比大渦輪增壓器油耗降低約0.6%，如圖7所示。

b.進氣歧管帶可變渦流控制閥（SCV）：如圖8所示，發動機每缸的進氣道分為兩路，其中一路安裝了關閉閥體，當發動機處于中低負荷時，考慮到渦流比較低，ECU發出信號，通過控制真空閥關閉該閥門，從而提高發動機的總渦流比，達到油氣充分混合的目的。

3.2.3 降低附件功耗

采用電控硅油風扇替代機械硅油風扇，可以在發動機負荷較低時，更好地控制發動機風扇轉速（降低），降低發動機風扇功耗。通過對電控硅油風扇的控制策略進一步優化，風扇轉速采用階梯式上升的嚙合策略，平均降低風扇功耗0.3 kW·h，低于機械硅油風扇的0.89 kW·h。

3.3 降低風阻

通過流場（圖9）分析可以看出，影響風阻的主要因素有車身前圍正壓力、車廂前端正壓力、車廂頂部及兩側氣流分離及底盤部件干擾阻力。針對以上影響因素，通過增加氣動套件和對整車關鍵設計特征尺寸優化析出改善方案如表5所示，考慮到成本壓力及量產難易度，優先選擇導流罩優化和車廂擋水檐優化作為降低風阻的主要改善方案。

3.3.1 導流罩優化

對于廂式貨車，導流罩是最為重要的氣動套件，增大車廂與導流罩的匹配度，可以顯著降低風阻。導流罩的設計原則［6］：根據導流罩整體斜率，導流罩高度與貨箱高度一致或稍低于貨箱高度（<100 mm）；導流罩最寬處寬度與車廂寬度一致或略窄于車廂（<50 mm）；導流罩型面弧度控制導流罩Z和Y向弧度，要求截面特征線的延長線與車廂頂面截面線（瓦楞凸起面連接作為廂頂截面線）前端相交且近似相切。通過多輪的尺寸微調分析，獲得最優的導流罩優化效果，優化后車廂前端正壓力顯著降低，風阻降幅6.5%，如表6所示。

3.3.2 車廂擋水檐優化

車廂后端的擋水檐為翻邊結構，但該翻邊造成尾渦增大，從而增大了車廂后端的負壓力，通過取消翻邊可降低風阻，如表7所示。

3.3.3 優化結果

導流罩和車廂后擋雨檐的優化后，通過仿真對比實現風阻降低8.3%，風阻系數為0.536。根據仿真計算預計整車油耗可降低0.41 L/100 km，降低率3.3%。

3.4 降低滾阻

通過調研行業低滾阻輪胎資源，選取4組不同滾阻輪胎進行滑行試驗和油耗試驗，試驗結果如圖10、圖11所示，最終選定1組各項性能指標。滿足要求且滾阻降低明顯的輪胎作為最終方案，如表8所示。

3.5 傳動效率提升

后橋采用高功率密度齒輪，如圖12、圖13所示，高功率密度齒采用等高齒及寬齒面設計技術，并且齒輪采用強噴工藝提高齒輪強度和承載能力以及縮小齒輪尺寸，從而提高傳動效率、降低噪聲。優化后的后橋傳動效率臺架試驗測試表明，平均傳動效率達96.12%，提升了1%。

4 試驗驗證

4.1 樣車試制及滑行阻力測試

根據動力鏈匹配選型及降油耗方案，確定最終開發樣車方案并試制樣車，并按照GB/T 27840附錄C完成試驗樣車（GVW 4 495 kg）滑行阻力數據的采集和擬合，所得到的滑行阻力曲線如圖14所示。根據滑行阻力曲線比對表明，通過降低風阻及滾阻后，整車滑行阻力較優化前平均降低10%左右。

4.2 整車動力性、經濟性測試及達成情況

按照GB/T 12544《汽車最高車速試驗方法》、GB/T 12539《汽車爬陡坡試驗方法》、GB/T 12543《汽車加速能力試驗方法》，以及GB/T 27840-《重型商用車輛燃料消耗量測量》分別對試驗樣車進行整車動力性和油耗測試，結果如表9所示。結果表明，各項指標均達成目標，其中C-WTVC循環工況油耗為11.2 L/100 km，超越達成目標，低于三階段限值將近3%。

5 結語

本文以某款國六輕型商用車為研究對象，對動力鏈匹配進行優化，并利用節能技術與實施燃油經濟性進行效果提升，最終通過試驗達成預期效果。未來油耗法規會更加嚴格，因此節能技術需不斷升級，在不斷挖掘傳統節能技術潛力的同時還需加強新型節能技術的研究與應用。

參考文獻：

[1]余志生汽車理論[M]5版北京：機械工業出版社，2021

[2]高少俊某貨車的動力性、經濟性優化研究[D]長春：吉林大學，2012.

[3]張寧商用車節能技術研究與技術路線選擇[D]長春：吉林大學，2019.

[4]肖磊商用車輪胎花紋對車輛燃油經濟性的影響[J]汽車實用技術，2021（3）：194-195

[5]李萍鋒TY4250汽車列車的動力傳動系優化匹配[D]太原：太原理工大學，2010

[6]丁樂芳，張憲，官已駿基于導流罩優化的輕卡車型節油效果研究[J].機械設備，2020，10（6）：90-91.

作者簡介：

強小文，男，1975年生，正高級工程師，研究方向為輕型商用車整車技術。